Машинобудівні покращувальні сталі

Більшість важконавантажених деталей машин (колінчасті вали, розподільчі вали, осі, штоки, шатуни, відповідальні деталі турбін, компресорних машин) виготовляють із середньовуглецевих (0,3-0,5 % С) низьколегованих сталей перлітного класу, які піддають повному гартуванню і високотемпературному відпуску. Такий режим об’ємного термічного оброблення називається покращенням, а сталі, відповідно, покращуваними (30Х, 30ХГС, 40ХН, 30ХН3А, 40Х, 38ХН3МФ). Гартування деталей здійснюють від 820-880 ºС в оливі чи воді, а відпуск проводять при 550-680 ºС., після такої обробки структура сталі − сорбіт відпуску або сорбітизований перліт, що забезпечує високу границю текучості та витривалості, низьку чутливість до концентраторів напружень і достатній запас в’язкості. Покращувані сталі після термічної обробки володіють високою прогартовуваністю та малою чутливістю до відпускної крихкості.

Хромисті сталі схильні до відпускної крихкості другого роду, а тому після відпуску їх необхідно швидко охолоджувати в воді.

Для підвищення прогартовуваності хромисті сталі додатково легують марганцем (40ХГ) і бором (40ХГР). Молібден знижує відпускну крихкість (30ХМ).

Сталі леговані кремнієм − хромансили − 20ХГС, 30ХГС. Ці сталі добре зварюються, мають високу міцність (1200МПа) і ударну в’язкість (0,4 МДж/м²), але вони схильні до відпускної крихкості другого роду.

Хромонікелеві сталі при пониженій температурі експлуатації мають більший запас в’язкості, ніж безнікелеві. Комплексно леговані сталі, які містять 3-4 % Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА) і які мають критичний діаметр до 100мм і малу схильність до крихкого руйнування. Вони використовуються для виготовлення складних за конфігурацією деталей, що працюють при ударних навантаженнях.

Високоміцні сталі

До високоміцних сталей відносять сталі, у яких границя міцності більше 1500 МПа. Високоміцний стан у середньо- і високовуглецевих легованих сталях досягається після гартування і низького відпуску. При цьому знижується пластичність і в’язкість сталей, тому їх використовують у тих випадках, коли за умовами роботи відсутні динамічні навантаження. Це сталі, зміцнені термомеханічною обробкою, та нові високоміцні матеріали − мартенситностаріючі сталі (МСС) і ПНП-сталі (пластичність, наведена перетворенням).

Високоміцні МСС характеризуються високим значенням міцності в поєднанні з високою в’язкістю і пластичністю (σ_в = 2000 МПа, σ_0,2 = 1200 МПа). Зміцнення сталей досягається за рахунок мартенситного (γ → α)- перетворення і старіння мартенситу. Мінімальний вміст вуглецю (не більше 0,03%) зменшує схильність цих сталей до крихкого руйнування. Основним легуючим елементом цих сталей є нікель, вміст якого складає 17-26 %. Для ефективного протікання процесу старіння мартенситу сталі додатково легують титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм і кобальтом − 03Х18К9М5Т. цю сталь гартують від температури 800-850 ºС на повітрі, і отримують безвуглецевий мартенсит, з σ_в = 1200 МПа, σ_0,2 = 1000 МПа, δ=20%, ψ = 75 %, KCU = 2,0 МДж/м². У такому стані сталь добре оброблюється тиском, різанням, має високу зварюваність.

Основне зміцнення сталь отримує при відпуску в інтервалі температур 450-500 ºС за рахунок виділення із мартенситу дисперсних частинок інтерметалідів − Ni₃Ni, NiTi, Fe₂Mo, Ni₃(Ti,Al). Найбільше зміцнення досягається у випадках, коли інтерметаліди мають малі розміри і когерентно зв’язані з твердим розчином. Легування кобальтом збільшує ефект старіння. Після старіння сталь має σ_в = 2000 МПа, σ_0,2 = 1800 МПа, δ = 12%, ψ = 50 %, KCU = 0,50 МДж/м². При високих механічних властивостях сталь має підвищений опір крихкому руйнуванню, її в’язкість руйнування 50-70 МПа. При tº = -196 ºС у неї σ_в = 2400 МПа, δ = 10%, KCU = 0,30 МДж/м², вона теплостійка за 450 ºС.

МСС застосовують у літако-, ракетобудуванні; тобто у тих галузях, у яких важлива питома міцність, а також у криогенній техніці.

Високоміцні ПНП-сталі − аустенітний клас, з 0,3 % С; 8-10 % Cr; 8-10 % Ni; 4 % Mo; 1-2.5 % Mn, до 2 % Si. Після гартування від 1000-1100 ºС і отримання легованого аустеніту сталь деформують при tº 450-600 ºС. Після деформації відбувається наклеп аустеніту, виділення з нього вуглецю і легуючих елементів з утворенням дисперсних карбідів, тобто дисперсійне зміцнення. Внаслідок збіднення аустеніту легуючими елементами точка початку утворення мартенситу деформації зміщується в область позитивних температур, а початку мартенситного перетворення залишається нижче кімнатних. В результаті такої обробки ПНП-сталі мають високу міцність σ_в ≥ 1800 МПа, σ_0,2 ≥ 1800 МПа і високу пластичність δ ≥ 30 %.

Пружинно-ресорні сталі

Пружини та ресори призначені пом’якшувати поштовхи та удари в процесі роботи. Тому основними вимогами до цих сталей є високі границі пружності, витривалості та підвищена релаксаційна стійкість зі збереженням пружних властивостей протягом тривалого часу. В ресорах і пружинах різного призначення пластична деформація не допускається, тому високі значення пластичності і в’язкості менш суттєві.

Високі пружні властивості забезпечуються при вмісті вуглецю 0,5-0,7% і легуючих елементів кремнію і марганцю, іноді в сполученні з іншими елементами. Необхідний комплекс пружних властивостей формується термічним обробленням − гартуванням і середнім відпуском при температурі 350-450 ºС. Кремній затримує розпад мартенситу при відпуску, а кремній спільно з марганцем зміцнюють ферит і підвищують прогартовуваність сталі. Одна з основних вимог, що ставляться до пружинно-ресорних сталей − висока прогартовуваність для одержання мартенситної структури по всьому об’єму виробу. Наявність після гартування продуктів розпаду аустеніту (Б, Ф, Ф-Ц суміші), а також залишкового аустеніту погіршує пружні властивості. Чим дрібніше зерно, тим вища протидія сталей малим пластичним деформаціям. Наявність зневуглецьованого шару на готових пружинах різко знижує границю пружності та витривалості.

Основними марками сталей є: 50С2, 70С3А, 55С2, 60С2, 60С2А, 60С2ХФА, 65С2ВА, 50ХГА, 50ХФА, 65Г, 60СГ. Кремнисті пружинно-ресорні сталі використовують для виготовлення пружин вагонів, ресор автомобілів, торсійних валів, пружних елементів приладів. Сталі 60С2ХФА, 65С2ВА застосовують для виготовлення великогабаритних високонавантажених пружин і ресор. Для виготовлення ресор вантажних автомобілів рекомендують сталь 50ХГА, технологічнішу ніж сталі, леговані кремнієм, а клапанні пружини двигунів внутрішнього спалювання виготовляють із сталі 50ХФА, що не схильна до перегрівання і зневуглецювання (до 300 ºС), а при більш високих температурах − до 500 ºС пружини виготовляють із сталей 3Х2В8Ф, а до 600 ºС із сталі Р18. Для роботи в агресивних середовищах пружини виготовляють з хромистих корозійностійких сталей типу 40Х13, 95Х18.

Пружинно-ресорні сталі після термічної обробки (гартування і середній відпуск) повинні мати троостит з σ_в = 1200-1900 МПа, σ_0,2 = 1100-1700 МПа і δ= 5-56 %. Границя витривалості пружин і ресор зменшується при наявності поверхневих дефектів і зневуглецювання. Дробоструминна обробка створює в поверхневих шарах залишкові стискуючі напруження, які підвищують витривалість. Границя втоми у результаті поверхневого наклепу зростає у 1,5-2 рази.

Кулькопідшипникові сталі

Підшипники кочення та ковзання є відповідальними деталями багатьох машин (верстатів, автомобілів, тракторів, вагонів, електродвигунів тощо). Підшипники кочення працюють за умов кочення кульок (чи роликів) по зовнішніх та внутрішніх кільцях. Як правило, причиною відмови підшипників є руйнування тіл кочення по робочих поверхнях кілець, переважно внаслідок втомного викришування поверхонь тертя. Під час роботи елементи кочення зазнають високих змінних навантажень. Тому сталі, що використовують для їх виготовлення, мають бути міцними, зносостійкими і повинні мати високу границю витривалості. До сталей пред’являють вимоги по мінімальному вмісту неметалічних включень, карбідній неоднорідності і відсутності пористості, так як ці дефекти, знаходячись у поверхневому шарі стають концентраторами напружень і викликають передчасне втомне руйнування.

Основними марками сталей є ШХ4, ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ. Вуглець, який міститься у сталях в кількості 1,0 % і хром забезпечують отримання після гартування високої рівномірної твердості, стійкості проти зношування, необхідної прогартовуваності і достатньої в’язкості.

Кульки діаметром до 13,5 мм, ролики до 10 мм виготовляють із сталі ШХ4, а діаметром 22,5 мм і 15 мм відповідно із сталі ШХ15. Сталь ШХ15СГ використовується для виготовлення кульок діаметром до 30 мм, а для виготовлення роликів більшого діаметра застосовують сталь ШХ20СГ. Сталі ШХ15, ШХ15СГ мають підвищену прогартовуваність, високу твердість, зносотривкість та опір контактній втомі. До структури цих сталей ставлять високі вимоги за характером розміщення та розміром неметалічних включень, тому що вони спричиняють передчасне втомне руйнування. З тих самих причин неприпустимою у структурі цих сталей є також карбідна неоднорідність.

Для досягнення оптимального співвідношення міцності і контактної витривалості кільця та ролики підшипників повинні мати після гартування відпускну твердість 61-65 HRC (сталь ШХ15), 60-64 HRC (сталь ШХ15СГ). Елементи підшипників кочення, що працюють за умов високих динамічних навантажень, виготовляють із цементованих сталей 20Х2Н4А і 18ХГТ. Після цементації на товщину 1,2-3,5 мм, гартування і відпуску при 160-170 ºС підшипник із сталі 20Х2Н4А має на поверхні твердість 58-62 HRC, а в серцевині 35-45 HRC. Підшипники кочення із сталі 18ХГТ піддають цементації на товщину 0,9-1,8 мм, а їхня твердість після фінішного термічного оброблення становить 61-65 HRC. Для роботи підшипників у агресивних середовищах їх виготовляють із корозійностійких сталей марок 95Х18, 98Х18.

Термічна обробка підшипникової сталі передбачає операції відпалу, гартування та відпуску. Відпалу при температурі 780-800 ºС піддають заготовки після кування з метою знизити твердість і отримати структуру дрібнозернистого перліту. Температура гартування коливається в межах 830-860 ºС залежно від масивності виробів − чим більший виріб, тим вища температура гартування. Охолоджують деталі в мастилі (кільця, ролики), у розчині соди або кухонної солі, у воді (кульки). Безпосередньо після гартування їх відпускають при 150-160 ºС. Твердість після гартування та відпуску 62-65 HRC, структура − приховано-кристалічний мартенсит з рівномірно розподіленими дрібними надлишковими карбідами.

Довговічність підшипників визначається відхиленням від сферичної форми, яке призводить до биття. Ці биття ретельно контролюються. Деталі підшипників піддають 100 %-у контролю.

Зносостійкі сталі

Для сталей, що працюють на зношування в умовах абразивного тертя і високого тиску та ударів використовують високомарганцеву литу аустенітну зносостійку сталь Гадфільда − 110Г13Л. Із цієї сталі виготовляють траки деяких гусеничних машин, залізничні хрестовини, зуби ковшів екскаваторів, щоки дробилок та ін..

Сталь 110Г13Л вмістить 0,9-1,4 % С; 11,5-15,0 % Mn; 0,5-1,0 % Si. Після литва структура складається з аустеніту і надлишкових карбідів марганцю в залізі (Fe,Mn)₃C. При нагріванні карбіди розчиняються в аустеніті, тому після гартування від температури 1100 ºС у воді сталь отримує чисто аустенітну структуру з малою твердістю НВ 200.

Марганцевий аустеніт при ударних навантаженнях і після деформації в процесі експлуатації набуває твердість до HRC 50-55.

В умовах чисто абразивного зношування (наприклад при терті по піску) ефективного наклепу сталі 110Г13Л не відбувається, що призводить до підвищеного зношування деталі. Крім того, недоліком сталі є погана здатність до обробки різанням, тому деталі з неї частіше всього виготовляють литвом без механічної обробки.

Деталі, які в процесі роботи піддаються зносу в результаті дії потоку рідини чи газу, рекомендується виготовляти із сталі 30Х10Г10, яка характеризується високою кавітаційною стійкістю в наслідок утворення на поверхні мартенситу деформації при гідравлічних ударах.

Для деталей машин, що працюють в середніх умовах зношування застосовують високовуглецеві інструментальні сталі типу Х12, Х12М, Р18, Р6М5 із структурою мартенсит і карбіди.

Інструментальні сталі

Інструментальні сталі застосовують для виготовлення різального, вимірювального та формоутворюючого (штампового) інструменту. Особливу групу інструментальних матеріалів становлять порошкові тверді сплави.

До різальних інструментів відносять: різці, свердла, мітчики, фрези, пили, протяжки тощо.

Вимірювальний інструмент слугує для перевірки розмірів готових деталей (калібри, шаблони та ін.).

Штампи використовують для деформації металу в холодному (витяжні, згинальні штампи, отворопробивні, пуансони, ролики для накатування різі тощо) або в гарячому (кувальні, прошивальні, обрізні) станах.